RT Dissertation/Thesis
T1 Einfluss eines Glukoseentzugs auf die Strahlenempfindlichkeit von Tumorzellen und Normalzellen
A1 Ampferl,Rena
WP 2018/08/29
AB Die Strahlentherapie stellt eine zentrale Säule bei der Behandlung von Krebs dar. Die maximale Dosis, mit der ein Tumor bestrahlt werden kann, wird jedoch durch Nebenwirkungen des mitbestrahlten Normalgewebes begrenzt. Um den Behandlungserfolg zu verbessern, ist es somit von wesentlichem Interesse, neue Therapiestrategien zu entwickeln, die gezielt die zellschädigende Wirkung der Strahlung auf den Tumor verstärken, während das gesunde Gewebe geschont wird. Dabei gilt es, Unterschiede zwischen Tumorzellen und normalen Zellen zu nutzen. So ist es ein charakteristisches Merkmal von Tumorzellen, Glukose unabhängig von der vorherrschenden Sauerstoffkonzentration überwiegend zu Laktat zu verstoffwechseln (Warburg-Effekt, aerobe Glykolyse), während normale Zellen bei Anwesenheit von Sauerstoff die meiste Glukose in den Mitochondrien oxidieren. Da der Warburg-Effekt im Vergleich zur mitochondrialen Glukoseoxidation jedoch mit einer geringen ATP-Ausbeute pro Molekül Glukose einhergeht, sind Tumorzellen auf eine hohe Glukosezufuhr angewiesen. Daher war es Ziel dieser Arbeit zu untersuchen, ob ein Glukoseentzug im Rahmen der Strahlentherapie, die eine energieaufwendige Reparatur von DNA-Schäden erfordert, eine geeignete Strategie darstellt, um selektiv die Strahlenempfindlichkeit von Tumorzellen, nicht jedoch von normalen Zellen, zu erhöhen. Es zeigte sich, dass ein Glukoseentzug die Proliferation der Tumorzelllinien A549 und FaDu, nicht jedoch der normalen Fibroblasten HSF7, hemmte. Zudem führte der Entzug von Glukose selektiv bei den Tumorzellen zum Zelltod, wobei dieser hauptsächlich durch Nekrose erfolgte. Wurde der Glukoseentzug mit einer Strahlenbehandlung kombiniert, so konnte eine selektive Radiosensitivierung der beiden Tumorzelllinien erzielt werden, welche mit einer beeinträchtigten Reparatur strahleninduzierter DNA-Doppelstrangbrüche (DNA-DSBs) einherging. Dabei stellte sich heraus, dass die Glukose in Tumorzellen für die späte Phase der DNA-DSB-Reparatur, beginnend ab 13 h nach der Bestrahlung, essentiell ist. Des Weiteren konnte in den Tumorzellen eine Hemmung der strahleninduzierten Histonacetylierung sowie KAP1-Phosphorylierung infolge des Glukoseentzugs beobachtet werden, welche auf eine Beeinträchtigung der strahleninduzierten Chromatinrelaxation schließen ließ. Da die Öffnung der Chromatinstruktur besonders für die Reparatur von DNA-DSBs innerhalb des Heterochromatins von Bedeutung ist und gerade diese DSBs zu späten Zeitpunkten nach der Bestrahlung repariert werden, ist zu vermuten, dass in Tumorzellen durch den Glukoseentzug vor allem die Reparatur heterochromatischer DNA-DSBs beeinträchtigt wird. Weitere Untersuchungen ergaben, dass ein Glukoseentzug in Tumorzellen keinen Mangel an nukleärem Acetyl-CoA, dem Substrat für die Acetylierung von Histonen, verursacht, weshalb dies als Grund für die beobachtete Hemmung der Histonacetylierung ausgeschlossen werden konnte. Es ist jedoch bekannt, dass die Histondeacetylase Sirt1 infolge eines Glukoseentzugs aktiviert wird. Die Sirt1-vermittelte Histondeacetylierung könnte der strahleninduzierten Histonacetylierung entgegenwirken und somit die Chromatinrelaxation und damit auch die Reparatur von DNA-DSBs nach der Bestrahlung beeinträchtigen. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass eine Hemmung von Sirt1 mittels Sirtinol die unter glukosefreien Bedingungen in Tumorzellen auftretende Beeinträchtigung der Reparatur strahleninduzierter DNA-DSBs teilweise aufheben kann. Der hemmende Effekt eines Glukoseentzugs auf die DNA-DSB-Reparatur konnte in Tumorzellen jedoch nicht nur unter glukosefreien Bedingungen beobachtet werden. So genügte eine Reduktion der Glukosekonzentration auf 0,5 g/l, um die DSB-Reparatur nach der Bestrahlung in gleichem Maße zu beeinträchtigen wie durch einen kompletten Entzug der Glukose. Des Weiteren stellte sich heraus, dass die Reparatur von DNA-DSBs in Tumorzellen unter glukosefreien Bedingungen bereits nach einer Bestrahlung mit 2 Gy durch die Autophagie begünstigt wird. Schließlich wurde gezeigt, dass neben der DNA-DSB-Reparatur auch der Stoffwechsel der Tumorzellen durch den Glukoseentzug beeinflusst wird. So beeinträchtigte der Entzug von Glukose die strahleninduzierte Umstellung des Glukosestoffwechsels, die mit einer Verstärkung der aeroben Glykolyse und einer Abnahme der mitochondrialen Glukoseoxidation einherging, was ebenfalls zur Radiosensitivierung der Zellen beitragen kann. Im Gegensatz zu den Tumorzellen führte der Glukoseentzug bei den normalen Fibroblasten weder zu einer Radiosensitivierung noch zu einer Beeinträchtigung der Reparatur strahleninduzierter DNA-DSBs. Zudem hatte der Glukoseentzug hier keinen Einfluss auf die Histonacetylierung sowie KAP1-Phosphorylierung nach der Bestrahlung. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein Glukoseentzug in vitro eine geeignete Strategie darstellt, um selektiv Tumorzellen gegenüber einer Strahlenbehandlung zu sensitivieren, ohne die Strahlenempfindlichkeit normaler Zellen zu beeinflussen.

K1 Glucose
K1 Strahlentherapie
K1 DNS-Reparatur
K1 Chromatin
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2018/1510